花岗岩全风化层地基变形特征研究

本节通过对典型断面开展各项室内试验以研究海南环岛高铁饱和花岗岩全风化层地基的变形特性，通过埋设沉降板、沉降磁环、多点位移计、测斜管、土压力盒等测试元件，监测填筑路基地基的沉降变形和应力传递规律。

2.6.2.1　固结试验结果

（1）海南环岛高铁饱和花岗岩全风化层地基压缩系数（a1—2）为0.141～0.284 MPa－1，属于《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）规定的花岗岩全风化层（压缩系数为0.1～0.5 MPa－1）。

（2）地基土的应力-应变关系和应变-时间关系均基本符合双曲线模型εi=pi/（A+Bp1）和ε=（b+ct）/（a+t）。

2.6.2.2　现场长期沉降观测结果

（1）花岗岩全风化层地基沉降以地基侧向变形引起的瞬间沉降为主，沉降随着路基高度的增加线性发展，沉降速度较快。

（2）由于受现场工程条件制约，海南环岛高铁路基填筑时间约为 205～210 d，在填筑期内，花岗岩全风化层地基沉降约为观测总沉降的82.2%～96.7%。

（3）花岗岩全风化层天然地基侧向位移呈开口型分布，最大侧向位移发生在距地表较近的位置；复合地基侧向位移呈弓形分布，最大侧向位移发生在加固区以下1～3m。

（4）地基面沉降由路基中心向路肩逐渐递减，沉降变化趋势基本一致，路基沉降均匀。花岗岩全风化层地基经换填改良、强夯加固、水泥搅拌桩加固和CFG桩加固处理后，地基沉降量和侧向位移明显减小，系统整体约束性和抗变形能力明显提高。

2.6.2.3　离心模型试验结果

海南环岛高铁路基填筑期100 d，放置期90 d，（填筑期＋放置期内）沉降天然地基和水泥搅拌桩加固地基分别占总沉降的 76.5% 和 80%。离心模型试验路堤填筑期＋放置期完成总沉降的69.9%～80%，小于现场实测的90% 左右，其原因是离心模型试验重塑地基土样破坏了原状土的结构性，导致花岗岩全风化层重塑地基在路基荷载作用下固结时间增加，填筑期完成沉降比例降低。另外，离心模型试验实测数据显示，花岗岩全风化层地基分层填筑的地基沉降比一次性填筑小 5.4%，说明路基填筑速度适当放缓可减小地基特别是浅层地基的水平变形，从而减小地基总沉降。

随着路堤宽高比L/H的增加，路基基底应力分布接近于γH。浅层地基附加应力衰减较快，深层衰减较慢，衰减速度随着深度的增加逐渐放缓，并且这种变化趋势随着路堤宽高比的增加越来越显著。附加应力的衰减速度随着路基宽高比的增加逐渐减小，路堤宽高比越大，衰减趋势越显著。

2.6.2.4　数值模拟结果

花岗岩全风化层地基未处理地基、水泥搅拌桩加固地基和CFG 桩加固地基填筑期间沉降分别为 131.4 mm、122.4 mm 和 120.2 mm，最终沉降量分别为 134.7 mm、124.4 mm 和122.1 mm，填筑期间沉降分别占总沉降的97.6%、98.4% 和98.4%，填筑完成后放置 41 d、29 d和30 d沉降完全稳定下来。

工后沉降与路基填筑完成后的放置时间有关，模拟路基填筑完成后立即铺设轨道结构，施加列车和轨道荷载后，各工况下地基沉降量如表2.6-1所示。表2.6-1结果表明：海南环岛高铁饱和花岗岩全风化层未加固地基、水泥搅拌桩加固地基、CFG桩加固地基的工后沉降分别为 14.3 mm、12.1 mm、11.9 mm，该类中等压缩性地基经过分层填筑和进行短期放置，其工后沉降满足铺设无砟轨道高速铁路的要求。(www.xing528.com)

表2.6-1　地基沉降计算汇总（施加列车和轨道荷载后）

2.6.2.5　实测、离心模型试验、数值模拟沉降对比

表 2.6-2 为海南环岛高铁离心模型试验、数值模拟及实测总沉降及工后沉降的对比，从表可看出只有离心模型试验总沉降大于数值模拟及实测沉降，其原因主要为离心模型试验制作时花岗岩全风化层压密时存在液化现象，压实度小于实际情况，故其总沉降较大，其余情况离心模型试验、数值模拟与实测总沉降均较为接近。从工后沉降值看，海南环岛高铁工后沉降均满足无砟轨道要求。

表2.6-2　沉降对比　单位：mm

2.6.2.6　花岗岩全风化层地基分层沉降规律

全风化花岗岩地基分层沉降观测结果表明，在加载期间，沉降曲线很陡，压缩发生很快。浅层的风化花岗岩沉降量比较大，随着地层深度的增加，其沉降逐步减少，但其减小量不很明显；由地基的分层沉降结果还可以看出，地基的土质是不均匀的。另外，沉降观测区（最深的沉降磁环埋设在 20 m 左右）以下地基层的压缩量占地基总沉降量的比例却相当大（约为总沉降的15%～30%），因此观测区以下的总沉降量应予以重视。这个结果也表明，在进行高速铁路设计时，其附加应力的影响深度的设定，决定了总沉降及工后沉降预测值的误差大小。

结合地基土在不同深度的变形特性，地基土压缩模量在浅层虽随深度而增加，但当深度超过 20 m 时其值增加缓慢。这个结果也表明，在进行高速铁路设计时，其附加应力的影响深度的设定，不仅要考虑附加应力比的大小，而且还要考虑深部地基土的压缩模量随深度的变化趋势；当深部地基土的压缩模量随深度减小或不增加（诸如有软弱层或强风化层）时，应适当减小确定压缩层厚度的附加应力比的值。

2.6.2.7　花岗岩全风化层地基沉降特性

（1）地基沉降以地基侧向变形引起的瞬间沉降为主，在控制速率、分层填筑的情况下海南环岛高铁路堤填筑期可完成总沉降的 80% 以上，经过短期放置（1～2个月左右）可完成总沉降的90% 左右；花岗岩全风化层地基施工期完成沉降明显高于《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的20%～50%。

（2）海南环岛高铁花岗岩全风化层沉降速度较快，表层 5～8 m 沉降量较大（天然地基表层 8 m 沉降量占总沉降的60% 左右）。

（3）天然地基侧向位移呈开口型分布，最大侧向位移发生在距地表较近的位置，复合地基侧向位移呈弓形分布，最大位移发生在加固区以下 1～3 m，复合地基处理后侧向变形明显减小，路基沉降量明显减小。

（4）通过对比研究发现路堤在控制速率、分层填筑情况下可减小地基侧向变形，从而减小路基总沉降量。